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                        基于Flash設備數控系統平臺開發

                        添加時間:2019/08/12 來源:中國科學院研究生院 作者:張景欣
                        開放式數控系統是數控技術發展的必然趨勢,開放式的體系結構給 CNC 生產廠家、機床制造廠和用戶都帶來了許多益處。當前發達國家都在積極地進行著開放式數控系統的研究,OSE 稱之為機械制造業的第三次革命。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          隨著計算機軟硬件技術、網絡通訊技術和現代制造技術的飛速發展,數控系統正在朝著開放式、網絡化和智能化方向發展,這對開放式控制器系統提出了越來越高的要求。與此同時,嵌入式領域,特別是嵌入式 Linux 領域飛速發展,也為控制器系統軟件平臺的選擇開辟了更為廣闊的空間。

                          本文基于藍天數控系統的開發需求,在參考借鑒國內外數控系統及嵌入式系統設計、實現等工作的基礎上,開展了面向 Flash 設備的文件系統及相關問題的研究與實現工作,并對相關的嵌入式工具進行了研究。重點開展了以下兩個方面的工作:

                          一是以基于Flash設備的文件系統為核心,設計并實現了數控系統的運行平臺,包括文件系統、引導程序及各種系統支撐工具等。藍天數控系統的硬件系統采用單片 Flash 設備作為存儲設備,確保其穩定性、高效性是建立運行平臺的基礎。本文針對Flash設備及其文件系統進行研究,根據藍天數控系統的軟硬件系統的需求,設計并實現了藍天數控系統基于 Flash 設備的運行平臺。

                          二是基于生成式方法的數控系統嵌入式工具的研究。在對現有的兩種典型的嵌入式工具——TimeStorm 和 Windows XPE 進行深入研究的基礎上,結合數控領域的特殊性,提出了利用嵌入式工具,基于生成式方法構造數控系統的思想,并開展了該工具的原型系統設計和部分實現工作。

                          【關鍵詞】 開放式控制器 FLASH 設備 JFFS2 嵌入式 Linux 嵌入式工具

                        ABSTRACT

                          With the rapid development of computer technology, network technology and modern manufacturing technology, NC system has been evolving into an open, networked and intelligent system. And the booming of embedded field, especially in embedded Linux world, provides more choice while choosing system software for open controller. The work sets out under the above background.

                          Based on the requirement of the LT CNC system, and on the basis of using the design and implement of the CNC system and embedded system inland and overseas, this dissertation develops the research and implement of the filesystem of Flash equipment, and researches the embedded tools. This dissertation solves the following two problems:

                          1. Design and realize the CNC running platform, including the filesystem, loading program and system supporting tools with the filesystem of Flash equipment. The LT CNC hardware system uses the Flash equipment as the storage device. The basis of building the plat is the stabilization and high efficiency of Flash equipment. On the basis of systemic research of Flash device and flash filesystem, this dissertation presents design and realizes the plat of LT CNC system on the demand of the hardware and software of the LT CNC system.

                          2. Research of the CNC embedded tools that based on building method. On the basis of research of the typical embedded tools--TimeStorm and Windows XPE, this dissertation presents a design methodology of building the CNC plat with embedded tools and designs and realizes the original system.

                          【Keywords】opencontroller FLASHEquipment JFFS2 EmbeddedLinux Embeddedtools

                          數控系統是集機械、計算機、自控、微電子、加工工藝及檢測技術為一身的高技術產品。近年來,利用 PC 機豐富的軟硬件資源開發新一代開放式數控系統已經成為主要趨勢。在這方面,歐洲、美國、日本已走在前列,紛紛推出各自的開放式數控系統體系結構規范及示范性產品。我國在開放式數控系統研究方面起步較晚,目前只制定了系統的設計總則,缺少實質性設計規范及代表性產品。因此,如何在遵守總則基礎上,借鑒國外先進技術,開發出滿足國內實際需求的開放式數控系統具有重要的現實意義。

                          論文選題于中國科學院知識創新工程重大項目“開放式和智能化的數控系統平臺及產業化”的子課題——開放式控制器的運行平臺。本人的主要工作是根據數控系統的需求,為其定制基于 Flash 設備的嵌入式運行平臺,同時對嵌入式工具進行研究,探索利用生成式方法構建嵌入式數控系統的方法。

                          運行平臺是開放式控制器的基礎,隨著數字信息技術和網絡技術的高速發展,以及計算機硬件的更新,對運行平臺的要求越來越高。系統平臺是整個系統的底層系統,所有的應用軟件都是在此基礎上建立的。因此構建良好穩定的系統平臺是保證應用系統良好運行的基礎。數控系統運行平臺是嵌入式系統的子部分,具有嵌入式系統的通常特點:體積小、集成度高和資源有限。數控系統運行平臺的設計與定制直接影響了數控系統的工作效率和效果。

                          本人設計和實現的藍天數控運行平臺充分考慮了藍天系統的硬件特點,其結構合理,體積小,系統穩定,速度快,充分滿足了系統的要求;谇度胧 Linux 系統的 RTLinux 系統,是一個開源項目,具有低成本等優點。其良好的實時性能完全能夠滿足數控系統的需求。圖形系統采用運行于 Linux 系統的 Xwindow 實現——Tiny-X,具備桌面 Xwindow 系統所有的基本功能,但它只占用不到 1M 的存儲空間,且效率極高。

                          在嵌入式領域,由于使用的存儲設備空間有限,在構建嵌入式系統的根文件系統時,應使得其占用的空間盡可能的小。傳統的方法都是針對不同系統定制內核并根據系統要求對應用軟件進行源碼級別的裁剪,同時在編譯應用軟件的時候使用精簡的系統庫,通過上述方法來確保根文件系統的大小。但由于上述方法的復雜性,以及其原始的手工方式,帶來了嵌入式系統的開發、監控及調試的復雜性。在定制藍天數控系統運行平臺的過程中,本人深刻體會到了這些問題。因此提出了一種基于生成式方法構建嵌入式 Linux 系統的方法,并在深入研究現有嵌入式工具的基礎上,設計了數控系統嵌入式工具,并進行了部分實現。所謂生成式方法就是將 Linux 系統可能使用到的所有軟件進行模塊化處理,使得每個功能都是一個獨立模塊,這樣當用戶在定制系統的過程中,只需要選擇需要的功能模塊來構成系統即可。Linux 系統的可模塊化處理,以及該工具只是針對數控領域,需要處理的模塊數量很少都為這種工具的實現提供了可能。該工具的出現將徹底改變現有數控領域嵌入式系統的定制模式,避免了用戶在進行手動裁減和編譯時可能遇到的問題,減小了系統定制過程的復雜性,同時由于采用編譯好的模塊,減少了系統定制的時間,為數控領域的快速發展起到促進作用。

                          高速、高效、復合、精密、智能、環保等是世界機床以及數字化裝備的發展趨勢,而網絡化、智能化、開放式數控是實現高水平裝備的保證。藍天數控系統的運行平臺的設計思想就是模塊化和可擴展性。模塊化可以根據廠商的不同要求,提供不同的功能?蓴U展性,為用戶提供了二次開發的機會。

                        基于Flash設備數控系統平臺開發:

                        DOC2000
                        DOC2000

                        DOC2000 結構圖
                        DOC2000 結構圖

                        TimeStorm 界面圖
                        TimeStorm 界面圖

                        數控系統嵌入式工具界面
                        數控系統嵌入式工具界面

                        目 錄

                          摘 要
                          ABSTRACT
                          引 言
                          第一章 綜 述
                            1.1 項目及課題背景
                            1.2 論文背景
                            1.3 本文的意義
                            1.4 本文組織結構
                          第二章 面向 FLASH 設備的文件系統
                            2.1 嵌入式 LINUX 系統
                            2.2 FLASH 設備
                            2.3 面向 FLASH 設備的文件系統
                          第三章 藍天數控系統運行平臺的構建
                            3.1 藍天數控硬件系統
                            3.2 開發系統及軟件包的選擇
                            3.3 RTLINUX
                            3.4 圖形用戶界面(GUI)
                            3.5 根文件系統
                            3.6 系統腳本的編寫工作
                          第四章 DOC2000 上 JFFS2 文件系統的實現
                            4.1 DOC2000 簡介
                            4.2 MTD、JFFS2 及 DOCBOOT
                            4.3 DOC 啟動過程分析
                            4.4 在 DOC2000 上實現 JFFS2 文件系統
                            4.5 JFFS2 文件系統性能測試
                          第五章 數控系統嵌入式工具的研究與實現
                            5.1 背景介紹
                            5.2 嵌入式工具的研究
                            5.3 嵌入式工具的設計與實現
                            5.4 改進設想
                          結 論
                          參考文獻
                          發表文章
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